中國報(bào)告大廳網(wǎng)訊，在當(dāng)今電力電子技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，2025 年絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)行業(yè)呈現(xiàn)出蓬勃的發(fā)展趨勢。隨著新能源汽車、智能電網(wǎng)和軌道交通等領(lǐng)域?qū)Ω咝芄β?a href="http://m.74cssc.cn/k/bandaoti.html" class="innerlink">半導(dǎo)體器件需求的不斷攀升，IGBT 技術(shù)正朝著高性能、高效率和高可靠性的方向邁進(jìn)。超結(jié) IGBT(SJ-IGBT)作為一種新興的功率半導(dǎo)體器件，憑借其卓越的電學(xué)特性，逐漸成為行業(yè)研究的熱點(diǎn)和應(yīng)用的主流選擇。本文將深入探討超結(jié) IGBT 的研究進(jìn)展，分析其結(jié)構(gòu)特性、性能優(yōu)勢以及未來的發(fā)展方向。

  一、超結(jié) IGBT 的發(fā)展背景與優(yōu)勢

  《2025-2030年中國新能源汽車用IGBT模塊市場專題研究及市場前景預(yù)測評估報(bào)告》指出，傳統(tǒng) IGBT 在高功率應(yīng)用場景中面臨著諸多限制，如漏電流大、開關(guān)速度慢、崩潰電壓低等問題，這些問題不僅導(dǎo)致能源浪費(fèi)，還影響了器件的穩(wěn)定性和使用壽命。為了克服這些限制，研究人員開始探索新型的功率晶體管結(jié)構(gòu)，超結(jié) IGBT 應(yīng)運(yùn)而生。通過采用先進(jìn)的材料和工藝設(shè)計(jì)，超結(jié) IGBT 在傳統(tǒng) IGBT 的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了顯著的性能提升，具有更高的功率密度、更低的損耗和更高的可靠性，廣泛應(yīng)用于新能源、智能電網(wǎng)、軌道交通等領(lǐng)域。

  二、載流子存儲層結(jié)構(gòu)的超結(jié) IGBT

  為了降低超結(jié) IGBT 的損耗，必須改善關(guān)斷損耗和通態(tài)壓降之間的折中關(guān)系。載流子存儲層結(jié)構(gòu)的超結(jié) IGBT 在這一方面表現(xiàn)出色。通過在 IGBT 的 p 型漏極和 n 型柵極之間引入特殊的載流子存儲層，可以存儲部分注入的電荷，減少開關(guān)過程中的電荷重新組合，從而提高開關(guān)速度和效率。例如，2017 年提出的一種載流子存儲增強(qiáng)型超結(jié) IGBT(CSE-SJ-IGBT)，在關(guān)斷損耗為 5 mJ·cm?2時(shí)，1.45 kV 額定 CSE-SJ-IGBT 的通態(tài)壓降僅為 1.07 V，比常規(guī)超結(jié) IGBT 和場截止 IGBT 分別低 35% 和 40%。此外，2018 年提出的一種具有 n-Si 和 p-3C-SiC 柱的超結(jié) IGBT(Si/SiC-SJ-IGBT)，在相同的擊穿電壓(1 450 V)下，其通態(tài)壓降比傳統(tǒng)超結(jié) IGBT 低 0.35 V。這些研究表明，載流子存儲層結(jié)構(gòu)的超結(jié) IGBT 在降低通態(tài)壓降和關(guān)斷損耗方面具有顯著優(yōu)勢。

  三、浮空 p 柱結(jié)構(gòu)的超結(jié) IGBT

  浮空 p 柱結(jié)構(gòu)的超結(jié) IGBT 是通過將 p 柱和 p 型基區(qū)分離，抑制空穴從 p 柱向 p 型基區(qū)直接流出，從而增強(qiáng)漂移區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制。這種結(jié)構(gòu)的超結(jié) IGBT 具有較低的導(dǎo)通壓降和開關(guān)損耗，適用于高頻高壓的功率電子器件。例如，2022 年提出的一種 650 V 浮置 p 柱超結(jié) IGBT 與平面陽極柵的集成電路，通過 n 型載流子存儲層隔離 p 柱和 p 體，增強(qiáng)柱區(qū)電導(dǎo)調(diào)制，提高導(dǎo)通電壓。仿真結(jié)果顯示，該結(jié)構(gòu)的關(guān)斷延遲時(shí)間和升壓時(shí)間分別減少了 61% 和 86%，關(guān)斷損耗減少了 44%。這表明浮空 p 柱結(jié)構(gòu)的超結(jié) IGBT 在提高開關(guān)速度和降低損耗方面具有顯著優(yōu)勢。

  四、溝槽柵結(jié)構(gòu)的超結(jié) IGBT

  溝槽柵結(jié)構(gòu)的超結(jié) IGBT 通過在 n 型基區(qū)上刻蝕深溝并填充 p 型柵氧化物和多晶硅，形成柵極結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)大大增加了柵極與 n 型導(dǎo)電區(qū)的接觸面積，有效降低了柵極電容，提高了開關(guān)速度。例如，2017 年提出的一種在 n 漂移區(qū)具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的新型溝槽柵 IGBT(SJ-TGIGBT)，其導(dǎo)通電阻與 n 漂移區(qū)厚度的關(guān)系為 1.25 次方，與擊穿電壓的關(guān)系為線性關(guān)系，消除了傳統(tǒng) IGBT 導(dǎo)通電阻與擊穿電壓 2.5 次方的關(guān)系。仿真結(jié)果顯示，該結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通電阻比傳統(tǒng)非超結(jié) IGBT 降低了約 12%。此外，2021 年提出的一種具有溝槽柵超結(jié) SiC-IGBT，其擊穿電壓為 16 250 V，導(dǎo)通壓降為 3.14 V，關(guān)斷時(shí)間為 27 ns，性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這些研究表明，溝槽柵結(jié)構(gòu)的超結(jié) IGBT 在提高開關(guān)頻率和降低開關(guān)損耗方面具有顯著優(yōu)勢。

  五、其他結(jié)構(gòu)的超結(jié) IGBT

  IGBT行業(yè)現(xiàn)狀分析指出，除了上述幾種結(jié)構(gòu)外，還有其他類型的超結(jié) IGBT 被開發(fā)和應(yīng)用。例如，具有埋氧層的溝槽場截止超結(jié) IGBT 通過在 n 型基區(qū)中刻蝕形成溝槽并引入埋氧層，減少了柵極電荷，加速了柵極 - 發(fā)射極電容的充放電，進(jìn)一步降低了開關(guān)損耗并提高了開關(guān)速度。2015 年提出的一種具有埋氧層的溝槽場截止超結(jié) IGBT(TFS-SJ-IGBT)，在集電極摻雜濃度為 1×101? cm?3時(shí)，其通態(tài)壓降為 1.08 V，關(guān)斷損耗為 2.81 mJ·cm?2，擊穿電壓為 1 414 V。此外，2019 年提出的一種在 p 柱區(qū)引入浮置 n 基區(qū)以形成自偏置 PMOS 的超結(jié) IGBT，在導(dǎo)通狀態(tài)下可以提高 p 柱區(qū)的空穴準(zhǔn)費(fèi)米電勢，增強(qiáng)載流子存儲效應(yīng)，降低導(dǎo)通電壓。仿真結(jié)果顯示，該結(jié)構(gòu)的通態(tài)壓降為 1.16 V，關(guān)斷損耗為 1.2 mJ·cm?2，擊穿電壓為 1 500 V。這些研究表明，其他結(jié)構(gòu)的超結(jié) IGBT 在高電壓、低漏電流和快速開關(guān)方面具有顯著優(yōu)勢。

  六、總結(jié)

  超結(jié) IGBT 作為一種新型的功率半導(dǎo)體器件，通過不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)，已經(jīng)發(fā)展成為一種高性能、高效率的功率開關(guān)器件。載流子存儲層結(jié)構(gòu)的超結(jié) IGBT 通過調(diào)節(jié)存儲層的設(shè)計(jì)參數(shù)，能夠有效降低關(guān)斷損耗并提升器件性能;浮空 p 柱結(jié)構(gòu)的超結(jié) IGBT 通過控制浮空 p 柱的尺寸和位置，能夠顯著減少導(dǎo)通壓降并優(yōu)化導(dǎo)通性能;溝槽柵結(jié)構(gòu)的超結(jié) IGBT 通過調(diào)節(jié)溝槽柵的形狀和尺寸，能夠提高開關(guān)頻率和電流密度。此外，其他類型的超結(jié) IGBT 結(jié)構(gòu)也在不斷涌現(xiàn)，為高電壓、低漏電流和快速開關(guān)的應(yīng)用提供了更多選擇。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，超結(jié) IGBT 的性能將不斷提升，其在新能源汽車、智能電網(wǎng)、軌道交通等領(lǐng)域的應(yīng)用也將更加廣泛。

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